JP2014075562A - 結晶質半導体の製造方法および結晶質半導体の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のパルスレーザ光源2、3と、複数のパルスレーザ光を非晶質半導体に導く光学系12を有し、各パルスレーザ光が、時間的強度変化において1パルスに、少なくとも、1番目のピーク群と、その後に現れる2番目のピーク群とを有し、かつ前記1番目のピーク群における最大ピーク強度が前記1パルスにおける最大高さになっており、前記1番目のピーク群の前記最大ピーク強度aと、前記2番目のピーク群の最大ピーク強度bとの比b/aを最大ピーク強度比とし、基準となる前記最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、前記複数のパルスレーザ光の前記最大ピーク強度比が、前記基準最大ピーク強度比に対し4%以下の差になるようにする。
【選択図】図1
Description
上記レーザ光の照射においては、半導体薄膜で均質な処理が行われる必要があり、一般に、非晶質膜に照射されるパルスレーザ光のエネルギー密度を一定にする制御がなされている。
また、特許文献2では、レーザ光源から出力された複数のレーザビームを結合して束ねる方法で、複数のレーザビームの動作タイミングを制御してパルス波形を作製するレーザ照射装置が提案されている。
前記複数のパルスレーザ光は、時間的強度変化において1パルスに、少なくとも、1番目のピーク群と、その後に現れる2番目のピーク群とを有し、かつ前記1番目のピーク群における最大ピーク強度が前記1パルスにおける最大高さになっており、
前記1番目のピーク群の前記最大ピーク強度aと、前記2番目のピーク群の最大ピーク強度bとの比b/aを最大ピーク強度比とし、基準となる前記最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、前記複数のパルスレーザ光の前記最大ピーク強度比が、前記基準最大ピーク強度比に対し4%以下の差になるようにすることを特徴とする。
前記レーザ光源から出力され、時間的強度変化において1パルスに、少なくとも、1番目のピーク群と、その後に現れる2番目のピーク群とを有し、前記1番目のピーク群における最大ピーク強度が前記1パルスにおける最大高さであり、異なる経路で導波される複数のパルスレーザ光を非晶質半導体に導く光学系と、を有し、
前記複数のパルスレーザ光は、それぞれのパルスレーザ光で前記1番目のピーク群の前記最大ピーク強度aと、前記2番目のピーク群の最大ピーク強度bとの比b/aを最大ピーク強度比、基準となる前記最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、前記最大ピーク強度比が、前記基準最大ピーク強度比に対し4%以下の差になるように設定されていることを特徴とする。
図6〜図8は、2nd/1st最大ピーク強度比が18.2%、23.0%、および26.2%である場合のそれぞれについて、異なるエネルギー密度のパルスレーザ光の照射によりアモルファスシリコン薄膜を結晶化して得られた多結晶シリコン薄膜のムラモニターの写真(コントラストの強調処理)を示している。これらから最適とするエネルギー密度がずれていることを確認できる。
また、図7に示すように、2nd/1st最大ピーク強度比が23.0%である場合、照射エネルギー密度440mJ/cm2、450mJ/cm2、および460mJ/cm2のうち、450mJ/cm2で最もムラが少ない多結晶シリコン薄膜表面が得られ、450mJ/cm2が最適な照射エネルギー密度であることが分かる。
さらに、図8に示すように、2nd/1st最大ピーク強度比が26.2%である場合、照射エネルギー密度450mJ/cm2、460mJ/cm2、および470mJ/cm2のうち、460mJ/cm2で最もムラが少ない多結晶シリコン薄膜表面が得られ、460mJ/cm2が最適な照射エネルギー密度であることが分かる。
結晶シリコン膜に検査光をそれぞれの例で5地点に照射し、それぞれ反射光を受光してカラー画像を取得し、カラー画像の色成分を検出し、検出された色成分に基づいてカラー画像をモノクロ化した。次いで、モノクロ化された画像のデータをコンボリューションして画像濃淡を強調した画像データを取得し、表面ムラを評価した。
モノクロ化は、検出がされた色成分のうち、主となる色成分を用いて行うことができ、主となる色成分は、光分布が他の色成分よりも相対的に大きい色成分とすることができる。
モノクロ化した画像データは、レーザのビーム方向を行、レーザの走査方向を列とする行列データで示し、コンボリューションでは、所定係数の行列をモノクロ化された画像のデータの行列に掛け合わせることによって行った。
所定係数の行列は、ビーム方向を強調するものと、スキャン方向を強調するものとをそれぞれ用いてビーム方向の画像濃淡を強調した画像データとスキャン方向の画像濃淡を強調した画像データとをそれぞれムラモニターとして取得した。
具体的には、以下のコンボリューションを行った。なお、所定係数の行列が下記に限定されるものではない。
そこで、本発明では、前記1番目のピーク群の前記最大ピーク強度aと、前記2番目のピーク群の最大ピーク強度bとの比b/aを最大ピーク強度比とし、基準となる前記最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、前記複数のパルスレーザ光の前記最大ピーク強度比が、前記基準最大ピーク強度比に対し4%以下の差になるようにしている。
図10に示すように、エネルギー密度は、一パルスにおいて、第1ピーク群におけるエネルギー強度の時間積分と第2ピーク群におけるエネルギー強度の時間積分の和によって示すことができる。また、同一基板上では、非晶質半導体の結晶化に最適となるエネルギー密度は一定である。その最適エネルギー密度は、レーザパルス波形、具体的には最大ピーク強度比に影響されている。パルス波形の面積は、エネルギー密度を意味する。最適エネルギー密度は、通常のアモルファスシリコン薄膜において、10mJ/cm2程度の許容幅(OED範囲:最適エネルギー密度範囲)を有する。この許容幅内であれば、レーザ処理による結晶化は同等に行われる。その許容幅を満たすため、最大ピーク強度比の差は4%以内とすることが必要になる。そのため、上記差を4%以下とした。
これらの関係から最小二乗法による一次回帰を行うと、図9に示す線形Aが得られる。この線形Aに基づくと、例えば、2nd/1st最大ピーク強度比が22.4%である場合を見ると、最適エネルギー密度の幅(10mJ/cm2)は、455mJ/cm2〜445mJ/cm2の範囲内にある。最適エネルギー密度445mJ/cm2に対応する2nd/1st最大ピーク強度比は20.44%で、最適エネルギー密度455mJ/cm2に対応する2nd/1st最大ピーク強度比が24.49%である。この幅を最大ピーク強度比の差で表すと、24.49%−20.44%=4.05%となる。したがって、最大ピーク強度比の差を4%以下にすれば、最適エネルギー密度における許容範囲内に収めることができる。
互いに異なるパルス発生タイミングは、レーザ光源での出力時に得られていてもよく、また、経路途中で位相差が与えられて得られるものであってもよい。分波により位相差を与えることができるが、パルスレーザ光の分波もその手段が特に限定されるものではなく、ビームスプリッタなどを適宜用いることができる。
異なるパルス発生タイミングで非晶質半導体でパルスレーザ光が照射される際に、パルスが互いに重ならないようにしてもよく、また、パルスの一部が重なるようにしてもよい。
なお、パルスレーザ光のエネルギー密度は、パルスレーザ光源の出力の制御と、上記可変減衰器の一方または両方により行うことができる。
前記複数のパルスレーザ光は、時間的強度変化において1パルスに、少なくとも、1番目のピーク群と、その後に現れる2番目のピーク群とを有し、かつ前記1番目のピーク群における最大ピーク強度が前記1パルスにおける最大高さになっており、
前記1番目のピーク群の前記最大ピーク強度aと、前記2番目のピーク群の最大ピーク強度bとの比b/aを最大ピーク強度比とし、基準となる前記最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、前記複数のパルスレーザ光の前記最大ピーク強度比が、前記基準最大ピーク強度比に対し4%以下の差になるようにするので、非晶質半導体をより均一に結晶化することができる。
まず、本実施形態の結晶質半導体の製造装置について図1および図2を用いて説明する。
図1に示すように、結晶質半導体の製造装置に相当するレーザアニール装置1は、パルスレーザ光を出力する2台のパルスレーザ光源2、3を有している。
パルスレーザ光源2、3は、それぞれ例えば、エキシマレーザ発振光源であり、波長308nm、パルス周波数1〜600Hzのパルスレーザ光を出力するものである。
ハーフミラー6の透過側には、図2に示すように、パルスレーザ光の波形を計測する計測器7の受光部7aが配置可能になっている。計測器7には、制御部8が電気的に接続されており、計測器7の計測結果が制御部8に出力される。
ミラー9の前記他面反射側には、ハーフミラー10が配置されており、ミラー9で反射されたパルスレーザ光の一部を計測用に透過し、残部を処理用に光学系12側に反射する。
光学系の構成は、本発明としては特に限定されるものではなく、パルスレーザ光の数に応じて複数設けることもできる。
制御部8は、CPUとこれを動作させるプログラム、該プログラムなどを格納するROM、作業領域となるRAM、データを不揮発に保持するフラッシュメモリなどを備えたものとすることができる。
制御部8は、パルスレーザ光源2、3の出力調整により、パルスレーザ光における最大ピーク強度比の調整を行うことができる。また、制御部8の制御によりパルスレーザ光源2、3のガス混合比を調整し、結果としてパルスレーザ光における最大ピーク強度比の調整を行うようにしてもよい。これら制御において、制御部8はピーク強度比調整部に相当する。
ハーフミラー13の透過側には、各パルスレーザ光のエネルギー密度を測定する計測器14の受光部14aが配置されている。計測器14には、制御部8が電気的に接続されており、計測器14の計測結果が制御部8に出力される。
ステージ16上には、結晶化すべき非結晶質半導体15aが上層に形成された基板15を載置し保持する。
本発明では、非晶質半導体として、基板上に形成されたアモルファスシリコン薄膜が好適に使用される。アモルファスシリコン薄膜を結晶化することにより、多結晶シリコン薄膜を得ることができる。アモルファスシリコン薄膜は、通常は45〜55nmの厚さに形成されているが、本発明としてはその厚さが特に限定されるものではない。
なお、基板には通常はガラス基板が用いられるが、本発明としては基板の材質が特に限定されるものではなく、その他の材質であってもよい。
可変減衰器4により減衰されて出力されたパルスレーザ光は、ハーフミラー6で一部が透過し、残部が反射される。ハーフミラー6を透過したパルスレーザ光は、受光部7aで受光され、計測器7によりパルス波形が計測される。計測器7によるパルス波形の計測結果は、制御部8に送信される。
ハーフミラー6で反射されたパルスレーザ光の残部は、全反射ミラー9の一方の反射面で反射されて光学系12に導入される。
具体的には、図4に示すように、パルスレーザ光源2から出力されたパルスレーザ光に関しては、2nd/1st最大ピーク強度比R1は、1番目のピーク群における最大ピーク強度a1に対する2番目のピーク群における最大ピーク強度b1の比b1/a1で表される。また、他方のパルスレーザ光源3から出力されるパルスレーザ光の2nd/1st最大ピーク強度比R2は、1番目のピーク群における最大ピーク強度a2に対する2番目のピーク群における最大ピーク強度b2の比b2/a2で表される。
この実施形態では、最大ピーク強度比R1の初期値を基準最大ピーク強度比R0として、その後の最大ピーク強度比R1および最大ピーク強度比R2が、基準最大ピーク強度比R0に対し、4%以下の差になるように制御する。
パルスレーザ光源2、3の出力調整によるエネルギー密度の変動は、可変減衰器4、5の減衰率を調整することで相殺する。可変減衰器4、5での減衰率の調整は、最大ピーク強度比に影響を殆ど与えないため、エネルギー密度の調整のみを目的にして減衰率を調整することができる。
また、受光部14aで受光される各パルスレーザ光は、計測器14の計測結果において、各パルスレーザ光が同一のエネルギー密度となるように、可変減衰器4、5の減衰率を設定する。受光部14aにおける受光位置は、非晶質半導体膜15aへの照射面を想定する位置に設定されている。
具体的には、例えば、図5に示すように、パルスレーザ光源2、3がともにパルス周波数600Hzでパルスレーザ光を出力する場合において、パルスレーザ光源2に対して、パルスレーザ光源3は、半周期遅延したパルス発生タイミングでパルスレーザ光を出力する。これにより、非晶質半導体膜15aには、パルスレーザ光源2、3の2倍のパルス周波数1200Hzのパルスレーザ光が実質的に照射されることになる。
互いに異なるパルス発生タイミングでそれぞれパルスレーザ光を非晶質半導体に照射することで、パルス周波数を実質的に増加させることができ、高い生産性でパルスレーザ光の照射を行うことができる。
また、上記実施形態では、ステージ16を移動させることでパルスレーザ光を相対的に走査するものとしたが、パルスレーザ光が導かれる光学系を高速に動作させることでパルスレーザ光を相対的に走査するものとしてもよい。
また、上記実施形態では、複数のパルスレーザ光で同一のエネルギー密度で非晶質半導体膜に照射されるものとして説明したが、複数のパルスレーザ光が異なるエネルギー密度で非晶質半導体に照射されるように設定されるものであってもよい。
2 パルスレーザ光源
3 パルスレーザ光源
4 可変減衰器
5 可変減衰器
6 ハーフミラー
7 計測器
7a 受光部
8 制御部
9 全反射ミラー
10 ハーフミラー
11 計測器
11a 受光部
12 光学系
13 ハーフミラー
14 計測器
14a 受光部
15 基板
15a 非晶質半導体膜
16 ステージ
17 移動装置
Claims (14)
- 異なる経路で導波される複数のパルスレーザ光を非晶質半導体に照射して前記非晶質半導体を結晶化する結晶質半導体の製造方法であって、
前記複数のパルスレーザ光は、時間的強度変化において1パルスに、少なくとも、1番目のピーク群と、その後に現れる2番目のピーク群とを有し、かつ前記1番目のピーク群における最大ピーク強度が前記1パルスにおける最大高さになっており、
前記1番目のピーク群の前記最大ピーク強度aと、前記2番目のピーク群の最大ピーク強度bとの比b/aを最大ピーク強度比とし、基準となる前記最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、前記複数のパルスレーザ光の前記最大ピーク強度比が、前記基準最大ピーク強度比に対し4%以下の差になるようにすることを特徴とする結晶質半導体の製造方法。 - 前記複数のパルスレーザ光が、前記非晶質半導体上で、互いに異なるパルス発生タイミングで照射されることを特徴とする請求項1記載の結晶質半導体の製造方法。
- 前記複数のパルスレーザ光が、複数のレーザ光源から出力されたものであることを特徴とする請求項1または2に記載の結晶質半導体の製造方法。
- 前記複数のパルスレーザ光は、前記非晶質半導体上に、同じエネルギー密度で照射されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の結晶質半導体の製造方法。
- 前記複数のパルスレーザ光における前記最大ピーク強度比は、予め設定された所定範囲内にあることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の結晶質半導体の製造方法。
- 前記基準最大ピーク強度比は、前記複数のパルスレーザ光のうち、一のパルスレーザ光における最大ピーク強度比であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の結晶質半導体の製造方法。
- 前記複数のパルスレーザ光は、各パルスレーザ光のいずれの間においても、一方の前記パルスレーザ光の最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、他方の前記パルスレーザ光の最大ピーク強度比が前記基準最大ピーク強度比に対し、4%以下の差になっていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の結晶質半導体の製造方法。
- 前記非晶質半導体が、基板上に形成されたアモルファスシリコン薄膜であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の結晶質半導体の製造方法。
- 1つまたは2つ以上のレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力され、時間的強度変化において1パルスに、少なくとも、1番目のピーク群と、その後に現れる2番目のピーク群とを有し、前記1番目のピーク群における最大ピーク強度が前記1パルスにおける最大高さであり、異なる経路で導波される複数のパルスレーザ光を非晶質半導体に導く光学系と、を有し、
前記複数のパルスレーザ光は、それぞれのパルスレーザ光で前記1番目のピーク群の前記最大ピーク強度aと、前記2番目のピーク群の最大ピーク強度bとの比b/aを最大ピーク強度比、基準となる前記最大ピーク強度比を基準最大ピーク強度比として、前記最大ピーク強度比が、前記基準最大ピーク強度比に対し4%以下の差になるように設定されていることを特徴とする結晶質半導体の製造装置。 - 前記複数のパルスレーザ光が、異なるパルス発生タイミングを有して前記非晶質半導体に照射されるものであることを特徴とする請求項9記載の結晶質半導体の製造装置。
- 前記異なるパルス発生タイミングは、前記レーザ光源または/および前記光学系で与えられていることを特徴とする請求項9または10に記載の結晶質半導体の製造装置。
- 前記レーザ光源から出力される前記最大ピーク強度比を調整するピーク強度比調整部を備えることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の結晶質半導体の製造装置。
- 前記複数のパルスレーザ光を同じエネルギー密度で前記非晶質半導体に照射するため前記エネルギー密度を設定するエネルギー密度設定部を備えることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載の結晶質半導体の製造装置。
- 前記複数のパルスレーザ光を前記非晶質半導体に対し相対的に走査して照射する走査装置を有することを特徴とする請求項9〜13のいずれかに記載のレーザアニール装置。
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